Assessment of MYRRHA pin performance via OpenFOAM-informed TRANSURANUS simulations

This study aims to conduct a comprehensive analysis of fuel pin performance under irradiation in the current design of the MYRRHA (Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications) reactor core. The reference is the latest MYRRHA “Revision 1.8”, designed to host fuel assemblies loaded with Am-bearing mixed-oxide fuel, with Am contents up to 5 wt.%. The analysis is performed by relying on the fuel performance code TRANSURANUS, incorporating high-fidelity thermal-hydraulic boundary conditions at the pin level. The thermal-hydraulic analysis is executed using OpenFOAM, an open-source computational fluid dynamics code, providing insights that inform TRANSURANUS with a detailed coolant description. In addition to normal operation conditions, the analysis encompasses an over-power transient accidental scenario (Beam Power Jump) relevant for the MYRRHA accelerator-driven sub-critical core. This scenario is crucial for conservatively assessing the pin response and safety during any MYRRHA operative conditions. Advanced thermo-mechanical simulations of the fuel pin enable a comprehensive analysis of primary performance indicators against design limits, including peak fuel temperature, cladding equivalent stress, coolant velocity, and outer cladding temperature. This work contributes to advance the assessment of the MYRRHA reactor safety, demonstrating the suitability of irradiating Am-bearing fuels in MYRRHA for transmutation purposes, and extends the understanding of MYRRHA operational limits.

Questo studio mira a condurre un’analisi completa delle prestazioni di barrette di combustibile in condizioni di irraggiamento nell’attuale progetto del nocciolo del reattore MYRRHA (Reattore di ricerca ibrido multiuso per applicazioni ad alta tecnologia). Il riferimento è l'ultima “Revisione 1.8” di MYRRHA, progettato per ospitare gruppi di barrette di combustibile caricati con combustibile a ossidi misti contenenti americio fino al 5% in peso. L'analisi viene eseguita facendo affidamento al codice di prestazione del combustibile TRANSURANUS, incorporando condizioni al contorno termoidrauliche ad alta fedeltà a livello di barretta. L'analisi termoidraulica viene eseguita utilizzando OpenFOAM, un codice di fluidodinamica computazionale open source, fornendo una descrizione dettagliata del refrigerante che viene successivamente fornita a TRANSURANUS. Oltre alle normali condizioni operative, l'analisi comprende uno scenario incidentale con un transitorio di sovrapotenza (Beam Power Jump) rilevante per il nocciolo sottocritico guidato dall'acceleratore di MYRRHA. Questo scenario è cruciale per valutare in modo conservativo la risposta e la sicurezza delle barrette di combustibile durante qualsiasi condizione operativa del reattore. Le simulazioni termomeccaniche avanzate di barretta di combustibile consentono un'analisi completa degli indicatori di prestazione principali rispetto ai limiti di progettazione, tra cui la temperatura di picco del combustibile, la velocità del refrigerante, lo stato di sforzo e la temperatura esterna della guaina di rivestimento. Questo lavoro contribuisce all'avanzamento delle valutazioni di sicurezza del reattore MYRRHA, dimostrando l'idoneità dell'irraggiamento di combustibili contenenti americio per scopi di trasmutazione, e all'estensione della comprensione dei limiti operativi.